JP6101676B2 - ガスを精製するための装置 - Google Patents

Description

本発明は、極低温ガスの供給から不純物を除去するための極低温ガス精製装置に関し、より具体的には、そのような不純物の除去を更に容易にするためのフィルタ手段を選択的に使用するヘリウムガス精製装置であって、極低温凝縮により不純物を逆昇華させるように構成されているヘリウムガス精製装置に関する。本発明は、そのような不純物を排出するための方法、或いは継続して動作させるために精製装置を再生するための方法を更に含む。

極低温ガスは、冷凍及び冷却技術への応用並びに他の応用に対して高い需要がある。例えば、ヘリウムガスは、極低温ガスの中でも、磁気共鳴画像法（ＭＲＩ）、物質分析機器、他の装置を含む、種々の医学的装置及び科学的装置に使用されることが多い。冷却技術に使用するための液相ヘリウムを得るために、一般的には、ガスを液化点に冷却することにより、ガス液化装置内で気相ヘリウムを液化させる。その後、液相ヘリウムを気化させて、物質試料、超伝導磁石、又は他の物質若しくは部品を冷却するための気相ヘリウムの流動を生成させる。

ヘリウムは稀少であり、かつ極低温ガスは大量に消費されるものであるため、医学的装置及び科学的装置から蒸発した液体を回収し、その後精製及び液化して再使用することに大きな関心が寄せられている。例えば、脳磁気図検査（ＭＥＧ）、核磁気共鳴（ＮＭＲ）、物性測定システム（ＰＰＭＳ）及び磁気特性測定システム（ＭＰＭＳ）等の装置は、特に、１〜１０Ｌ／日の液体ヘリウムを消費する場合がある。

病院又は科学実験室等の施設での総消費量が、１００Ｌ／日未満である場合、従来のヘリウム回収及び液化手法（つまり、Ｓａｍｕｅｌ Ｃ．Ｃｏｌｌｉｎｓ教授の先駆的研究及びその派生技術に基づくもの）は、規模が大きすぎて、著しい量の気化ヘリウムが大気中へと失われるために非効率的である。その代わりに、現在では、小規模（＜１００Ｌ／日）での回収及び液化用の極低温冷却器に基づく商業的技術が台頭しつつあり、この技術では、消費に合わせて液化が行われ、生成された液体は、液体ヘリウム使用装置への移送が必要とされるまで失われずに維持される。現在利用可能な例示的なシステムには、カリフォルニア州サンディエゴ市のＱｕａｎｔｕｍ Ｄｅｓｉｇｎ社；ニューヨーク州シラキュース市のＣｒｙｏｍｅｃｈ社；ワシントン州ブレーン市のＱｕａｎｔｕｍ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社が製造するヘリウム液化装置が含まれる。そのような技術は、ヘリウム喪失を最小限に抑えることができるように、単一の並びに複数の医学的及び科学的機器のヘリウムを回収するのに十分であることが証明されつつある。

極低温冷却器に基づく小規模ヘリウム回収システムの液化技術は、総不純物濃度が１容積ｐｐｍ未満である商業級高純度ガスを使用する場合は適切に作動するが、１容積ｐｐｍを超える不純物濃度を有するガスの回収に使用する場合、効率が直ちに失われる。しかしながら、単一の又は複数の医学的機器及び科学的機器からヘリウムを回収する場合、液化する前に必要な精製技術（つまり、総不純物含量のレベルが＜＜１ｐｐｍである純粋なガスを生産する技術）では、効率が十分ではない。

したがって、十分に精製されたガスを液体ヘリウムプラント又はシステムに供給するために、典型的には、流入供給ガス中の不純物を除去するように機能するガス精製装置が使用される。この点について、ガス精製は、不純物と呼ばれる不要な微量の又は少量の夾雑物をプロセスガスから除去することを唯一の目的とする分離プロセスである。精製後、精製された極低温ガスは取り出され（例えば、液化装置に移送され）、分離された夾雑物は廃棄され、精製に使用されたデバイスは、再使用のために再生される。

現在、３つの異なるガス精製法が、小規模ヘリウム回収プラントとの併用で使用されている。これらの方法は、以下の通りである。
１．化学的ガス吸着法：ガス状ヘリウム混合物を、高温で固体産物であるゲッターと接触させる。不純物（回収ヘリウムの場合、主にＮ_２及びＯ_２）は、流入ガス中の不純物濃度に関わらず、ゲッターとの化学反応により１０^−３ｐｐｍのレベルに除去される。この方法の主な制限は、不純物との超高発熱化学反応により生じる過度の熱を回避するために、デバイスの流入における回収ガスの不純物の最大量を、１０容積ｐｐｍ未満に維持しなければならないことである。しかしながら、回収システムのほとんど、特にガスバッグを使用するものは、最良のシナリオでも、合計で１．５×１０^−４の最低容積比濃度を有する。したがって、この技術は、本発明の目的に応用することはできない。また、この技術は、反応産物の量の関数として、望ましくない圧力損失の増加をもたらし、それは、低流量（＜１０ｓＬ／分）であっても数ｂａｒに達し、このような方法は、低圧回収システム（例えば、＜２ｂａｒ（２００ｋＰａ））では更に非実用的になる。

２．極低温ガス吸着法：ガス状ヘリウム混合物を、比表面積が高い材料と接触させ、その後、冷却剤として液体窒素を使用して約８０Ｋ（−１９３．１５℃）の低温に冷却する。これは表面効果であるため、効率的であるためには、流入ガス中に存在する不純物に対する吸着材料の容積比が大きいことが必要である。吸着材料が飽和すると、システムを高温で加熱し、ポンピングにより再生しなければならない。したがって、連続操業並びにその後に必要とされる冷却を提供するための液体窒素再充填のために、２系統のシステムが必要となる。更に、流出するガスの不純物濃度は、流入量における不純物濃度に依存することが多い。そのため、１０^−５未満の流出濃度レベルは、容易に達成可能ではない。

３．極低温凝縮法：極低温凝縮による精製は、除去しようとする不純物の相転移をもたらすことにより達成される。低温（ヘリウム中の窒素の場合、Ｔ＜３０Ｋ（−２４３．１５℃））のデバイスで冷却することによる流入供給ガスの冷却は、直ちに凝縮可能な不純物の凝縮が促進される。混合物が過飽和されると直ぐに、対応する不純物は逆昇華し、容器の冷却表面を覆い、及び／又は供給ガスから凝結する。すなわち、混合物温度が、不純物の平衡蒸気圧が混合物中の不純物分圧未満である値に達すると直ぐに、不純物は逆昇華し始める。低圧（＜２ｂａｒ（２００ｋＰａ））及び低温（＜３０Ｋ（−２４３．１５℃））で稼働させる場合、ヘリウム中のＮ_２及びＯ_２総流出不純物レベルは、０．１ｐｐｍ以下が容易に達成可能である。たとえ、２段階極冷却器を備えるデバイスを使用するこの種の方法には、既に幾つかの進歩があるとしても、プロセスガス中で３０Ｌ／分程度の操業流速を維持しつつ、長期間（数か月）連続操業することは、依然として困難である。

ヘリウム供給ガスから不純物を除去するための例示的な従来技術システムは、２０１３年７月８日に出願された、発明の名称が「ＣＲＹＯＣＯＯＬＥＲ−ＢＡＳＥＤ ＧＡＳ ＳＣＲＵＢＢＥＲ」である特許文献１に記載されており、これは、非常に効果が高い癒着性（ｃｏａｌｅｓｃｅｎｔ）／逆昇華表面積材料に不純物を極低温凝縮（ｃｒｙｏ−ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ）及び／又は癒着（ｃｏａｌｅｓｃｅｎｃｅ）させることに基づく。同特許文献１に記載のシステムでは、２５Ｌ／分の最大流速で５×１０^−６未満のＮ_２を得るために、デュアー不純物収容領域のほとんど全体を占める、ガラスウールを充填した精製装置カートリッジが使用される。この制限は、冷却デバイス（２段階冷却コールドヘッド）及び対応する流出ガス向流熱交換器の表面が霜で覆われると直ぐに、不純物が全て凍結して深冷領域に捕捉されるのではなく、むしろ不純物収容容積を占めるカートリッジ内部に高密度充填されたガラスウールのような高表面材料との接触で「癒着」されるという事実による。このシステムの主な欠点は、以下の通りである。

１．不純物収容有効容積は、デュアーの容積のごく一部に過ぎず、典型的には１０％であり、したがって限定的な不純物収容容量を提供することができるに過ぎない。
２．デュアー頸部及びデュアー腹部は両方とも、流入ガス流の流路が小さく、霜により容易に閉塞される。この欠点を最小限に抑えるために、液化装置がガス流を一切要求していない場合でさえ、回収システムの最低還流を約５Ｌ／分に常時維持しなければならない。

３．典型的には週１回の定期的な再生が必要であり、それには、システム全体（つまり、コールドヘッド、熱交換器、カートリッジ、デュアー腹部）を１２０〜１５０Ｋ（−１５３．１５〜−１２３．１５℃）超に加熱して、それを完全に空にすることが必要である。

４．高密度充填されたフィルタカートリッジには、再生後の冷却プロセスに最低３〜６時間を要する熱負荷がかかり、したがって、その追加時間中は液化プロセスが中断される。

米国特許出願公開第２０１４／００９０４０４Ａ１号明細書

Ｊ．ＤＩＥＤＥＲＩＣＨＳ，Ｃ．ＣＨＩＡＬＶＯ，Ｍ．ＳＩＭＭＯＮＤＳ，Ｃｒｙｏ−Ｃｏｏｌｅｄ Ｌｏｗ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｈｅｌｉｕｍ Ｐｕｒｉｆｉｅｒ，Ａｂｓｔｒａｃｔ，２０１２，４ Ｐａｇｅｓ，Ｂｏｕｌｄｅｒ，ＣＯ

したがって、ガス混合物から不純物を除去するのに非常に有効かつ効率的であり、また、不純物を収容するための大容積を提供するように機能し、更に、頻繁な再生プロセスの必要性を排除することができる、プロセスガス混合物を精製するための方法及びデバイスは、当技術分野において非常に必要とされている。そのため、そのようなシステム及び方法、並びにそのようなシステムを効率的に再生し、従って精製ガスの供給を長期間にわたって中断せずに極低温ガス精製の連続操作を可能にする方法が必要とされている。ヘリウム回収システムに特に適合し、それにより適切な容積の極低温ガスを非常に効率的かつ経済的な様式で精製することができる、そのような目的を達成することができるそのようなシステムが特に必要とされている。

上記した課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、極低温ガスからガス状不純物を除去するためのガス精製装置であって、ガス精製装置は、精製しようとする極低温ガスを受容するための入口と精製ガス出口とを有する筺体であって、同筺体の最上内部部分に第１の領域を規定するとともに同筺体の低部内部部分に第２の領域を規定する中空内部を規定する筺体と、第１の領域に配置されており、かつ入口から受容される精製しようとする極低温ガスの流れと接触するように機能するコールドヘッドであって、極低温ガスを、極低温ガス中に存在する少なくとも１つのガス状不純物を逆昇華させるのに十分な温度に冷却するように機能するコールドヘッドと、筐体の内部の第１の領域内に配置されるヒータであって、第１の領域で逆昇華された少なくとも１つの不純物の昇華を引き起こすように機能するヒータと、精製ガス出口に接続される収集機構であって、少なくとも逆昇華された不純物を筺体の内部内に保持しつつ、極低温ガスが内部を通過し、精製ガス出口を通過するように、第２の領域内に配置されるとともに同第２の領域内に選択的に位置決めされている収集機構と、を含み、ヒータ及びコールドヘッドは、記収集機構の温度を予め定められた最高温度以下に維持するために互いに協働して動作するように構成されているガス精製装置を提供する。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のガス精製装置において、筺体の内部の第２の領域が、第１の領域で形成された少なくとも１つの逆昇華された不純物を保持するように構成されている、ことをその要旨とする。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のガス精製装置において、筺体が、垂直配向されたデュアーを含む、ことをその要旨とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載のガス精製装置において、デュアーの内部の第２の領域内に配置された収集機構がフィルタ機構を含む、ことをその要旨とする。
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載のガス精製装置において、フィルタ機構が、シート状のナイロンメッシュを含む、ことをその要旨とする。

請求項６に記載の発明は、請求項４に記載のガス精製装置において、フィルタ機構が、シート状の金属ワイヤメッシュを含む、ことをその要旨とする。
請求項７に記載の発明は、請求項５に記載のガス精製装置において、ナイロンメッシュが、同ナイロンメッシュに形成される複数の細孔を含み、細孔が、１マイクロメートル以上２５マイクロメートル以下の範囲のサイズを有する、ことをその要旨とする。

請求項８に記載の発明は、請求項６に記載のガス精製装置において、金属ワイヤメッシュが、同金属ワイヤメッシュに形成される複数の細孔を含み、細孔が、１マイクロメートル以上２５マイクロメートル以下の範囲のサイズを有する、ことをその要旨とする。

請求項９に記載の発明は、請求項３に記載のガス精製装置において、デュアーの内部の第２の領域内に配置される第２のヒータを更に含み、第２のヒータが、デュアーの内部の第２の領域内に配置された少なくとも１つの逆昇華された不純物を液化し、気化を促進するように機能する、ことをその要旨とする。

請求項１０に記載の発明は、請求項１に記載のガス精製装置において、精製しようとする極低温ガスがヘリウムであり、少なくとも１つの不純物が酸素を含む、ことをその要旨とする。

請求項１１に記載の発明は、請求項１０に記載のガス精製装置において、少なくとも１つの不純物が、窒素を更に含む、ことをその要旨とする。
請求項１２に記載の発明は、請求項３に記載のガス精製装置において、デュアーの内部内に配置される少なくとも１つの感知器を更に含み、感知器が、コールドヘッドを選択的に作動及び停止するように機能する、ことをその要旨とする。

請求項１３に記載の発明は、ガス状不純物をその中に有する極低温ガスを精製するためのガス精製装置であって、ガス精製装置は、精製しようとする極低温ガスを受容するための入口及び精製された極低温ガスの出口を有するデュアーと、デュアー内に規定されている内部チャンバーであって、その最上部分内に形成された第１の帯域と、第１の帯域に隣接して形成された第２の帯域と、内部チャンバーの底部部分内の第２の帯域の下方に配置された第３の帯域と、を規定する内部チャンバーと、第１の帯域内に配置されており、かつ入口から導入される精製しようとする極低温ガス中に存在する少なくとも１つの不純物を逆昇華させるように機能する冷却デバイスと、デュアーの内部チャンバーの第１の帯域内に配置されたヒータであって、第１の帯域の冷却デバイスにより生成された少なくとも１つの逆昇華された不純物を昇華させるように機能するヒータと、第３の帯域内に規定されており、かつ冷却デバイスにより第１の帯域に生成される逆昇華された不純物を受容するように機能する不純物収容領域と、デュアーの内部チャンバーの第３の帯域内に配置され、かつ精製されたガスの出口に流体連通されている収集デバイスであって、極低温ガスが流れ得る流路を規定し、逆昇華された不純物をそこから除去するように構成されている収集デバイスと、を含み、ヒータ及び冷却デバイスは、第３の帯域内の温度を予め定められた最高温度以下に維持するために互いに協働して動作するように構成されているガス精製装置を提供する。

請求項１４に記載の発明は、請求項１３に記載のガス精製装置において、デュアーの内部チャンバーの第３の帯域に配置されている収集デバイスに組み込まれるフィルタ機構を更に含み、フィルタ機構が、ナイロンメッシュ及び金属メッシュからなる群から選択されるフィルタを含む、ことをその要旨とする。

請求項１５に記載の発明は、請求項１４に記載のガス精製装置において、ナイロンメッシュが、１マイクロメートル以上２５マイクロメートル以下のサイズを有する複数の開口部を規定し、金属メッシュが、１マイクロメートル以上２５マイクロメートル以下のサイズを有する複数の開口部を規定する、ことをその要旨とする。

請求項１６に記載の発明は、請求項１３に記載のガス精製装置において、極低温ガスがヘリウムを含み、ガス状不純物が酸素及び窒素を含む、ことをその要旨とする。

請求項１７に記載の発明は、請求項１３に記載のガス精製装置において、冷却デバイスとヒータとの間で稼働を移行させるための感知器を更に含む、ことをその要旨とする。
請求項１８に記載の発明は、請求項１７に記載のガス精製装置において、デュアーの内部チャンバーの第３の帯域内に配置される第２のヒータを更に含み、第２のヒータが、第３の帯域の不純物収容領域内に収集された逆昇華された不純物を液化し、気化を促進するように機能する、ことをその要旨とする。

本発明は、詳しくは、当技術分野における前述の欠点に取り組み、それらを緩和するものである。その点に関し、ガス混合物を精製するための方法及びデバイスが、より詳しくは、液化する前に回収極低温ガス、すなわちヘリウムガスを精製し、それにより精製ガスが、最大で全容積中に１０^−３ｐｐｍ程度の不純物（Ｎ_２、Ｏ_２、ＣＯ_２、Ｃ_ｎＨ_ｍ）を含有する方法及びデバイスが開示されている。

ガス混合物は、ガス混合物と装置の第１の領域に配置された冷却源との直接の交換により、不純物の凝縮温度を十分に下回る温度に冷却される。逆昇華又は凍結不純物は、冷却領域表面付近で収集され、最終的には不純物収容領域を規定する装置の部分に移送される。精製されたガスは、不純物収容領域から移送され、選択的に第１のマイクロメートルサイズのフィルタを通過し、向流熱交換器を通過し、最終的に室温の出口ポートに至る。また、収集された不純物を除去し、装置を再生するための方法も開示されている。

本発明の方法及び装置は、極低温凝縮（ｃｒｙｏ−ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ）による逆昇華（ｄｅ−ｓｕｂｌｉｍａｔｉｏｎ）により混合物の不純物成分を除去するように機能する。この装置は、好ましくは垂直配向筺体を含み、より詳しくは、精製しようとするガスを受容するための入口及び精製したガスの出口を有する垂直配向されたデュアーを含む。このデュアーには、精製しようとする流入極低温ガスを冷却するように機能する冷却デバイスが内部に位置決めされており、そのような不純物の逆昇華を引き起こすデュアー内の上部内部により規定される第１帯域及び第２帯域を含む複数の帯域を規定する内部を含む。不純物収容領域を規定するように機能し、それにより逆昇華された不純物が、精製しようとする極低温ガスから単離され、よって抽出される第３の帯域が、垂直配向デュアーの内部の底部に向かって存在している。デュアーの第３の帯域内には、好ましくはナイロン又は金属メッシュの１つ又は複数の薄層を有するカートリッジの形態のフィルタ機構を含むことができ、かつ精製したガスの出口に流体連通されている収集デバイス又は収集機構が存在し、それにより精製されたヘリウムガスが回収される。極低温ガスのより大量の精製を達成するためにフィルタ機構が提供されており、あらゆる逆昇華不純物又は液化不純物が極低温ガス流動に再導入されることを回避する。

使用時には、精製しようとする流入ガス混合物は、ガス混合物と、冷却デバイス、典型的には垂直配向デュアーの第１の帯域に（つまりデュアーの頸部に）設置されている冷却コールドヘッドと、の直接交換により、不純物の凝縮温度を十分下回る温度に冷却される。ガスが、室温から、平衡蒸気圧がガス混合物中の所与の不純物の分圧未満となる温度へと予冷却されると、不純物は徐々に凝縮する。最終的に、不純物は、不純物に特有なある温度で（つまり、混合物中のその分圧と等しい圧力における不純物の蒸気−固体飽和温度で）逆昇華する。そのため、不純物の分圧が飽和圧力を超過する装置中の位置で、霜が形成される。霜の厚さは、温度が更に低下したとしても急速に減少する。

ガス混合物の深冷（ｄｅｅｐ ｃｏｏｌｉｎｇ）は、まず、逆昇華領域とも呼ばれるこの第１の帯域で、ガスプロセスの流れ方向に生じる。逆昇華された不純物又は凍結された不純物は、まず、冷却デバイスの表面、並びに内部デュアー壁、並びにガス排気熱交換器、ヒータ、及び温度計等の更なる要素も含む場合がある第１及び第２の帯域の異なる要素の表面を覆う。不純物から形成される霜は、典型的には、逆昇華領域を規定する第１及び第２の帯域で成長し、プロセスガスの流れ方向のデュアーの第３の帯域又は領域、すなわちデュアー底部で凍結不純物及び／又は凝結物の塊を形成する場合があり、それにより第３の帯域又は領域は、このように精製装置の不純物収容領域を規定する。

排出精製ガスは、第３の帯域又は不純物収容領域の底部から、選択的にフィルタ、向流熱交換器を含む、漏斗、フォント（ｆｏｎｔ）、又は他のタイプのデバイス等の収集機構により、室温で、デュアーの頂部に形成されている出口ポートまで移送される。凍結不純物のマイクロメートルサイズ粒子のためのフィルタにより、高流速にて固体不純物及び霜が引きずられる可能性が回避される。

この方法は、それにより、デュアー内に配置されている冷却デバイスが、定期的に、好ましくは自動的に（つまり、１日１回）停止され、冷却デバイスの下端に配置されている温度計が、特定の不純物の最高昇華温度（例えば、主な夾雑物としてＯ_２及びＮ_２を有するＨｅの場合は、１００Ｋ（−１７３．１５℃））に達したことを示すまで、デュアーの逆昇華領域内に配置されている熱交換器の表面に設けられた第１のヒータが作動される「ソフト（ｓｏｆｔ）」再生プロセスを更に企図する。凍結不純物は、昇華／液化され、深冷領域の第１及び第２の帯域から不純物収容領域へと排出され、そこで不純物は、デュアー底部のある地点で逆昇華温度条件に遭遇すると直ぐに再び凍結される。そのような再生プロセスは、デュアー頸部が閉塞され得るかなり前に、及び／又は熱交換効率が霜により大幅に低減し得るかなり前に実施される。そのような不純物昇華−排出プロセスは、わずか約１０〜６０分しかかからず、プロセスガス流を中断せずに、好ましくは自動的に実施することができ、したがって、不純物収容容積がいっぱいになるまで、ほぼ完全な性能を常時維持することができるという利点がある。

時間と共に、第３の帯域又は不純物収容領域が、逆昇華された不純物で十分に満たされる場合、又は前述の「ソフト」再生プロセスが、逆昇華された不純物から生じる場合がある妨害物を十分に排除しない場合、好ましくは、装置には、第３の帯域に、好ましくはデュアー底部に配置されており、かつ収容されている不純物を当該帯域又は不純物収容領域で昇華、液化、及び気化させるように機能する第２のヒータが更に提供される。したがって、そのような第２のヒータは、上記で考察した第１のヒータとは対照的に、第１のヒータにより提供される再生又は「ソフト」再生プロセスを補う標準的高温（１５０Ｋ（−１２３．１５℃））再生のために設けられる。

流出ガス中の所与の不純物の濃度は、不純物がデバイス全体を通過する際に到達する最低温度における固体不純物の平衡蒸気圧と流入するガス混合物作動圧力との比率に直接関連する。したがって、残留流出不純物濃度は、流入するガス混合物中のそれらの濃度に依存せず、したがって、＜＜０．１ｐｐｍ程度の値が容易に得られる。この方法を応用して、Ｑｕａｎｔｕｍ Ｄｅｓｉｇｎ ｌｎｃ．社（カリフォルニア州サンディエゴ所在）により使用される商業的ＡＴＬヘリウム液化技術のような小規模液化装置を使用して、科学的装置及び医学的装置から回収されたヘリウムガスを液化する前に精製することに成功した。本明細書で開示された実施形態と一致するプロトタイプは、数か月間の稼働中、高温再生のために中断することなく、３つのＱｕａｎｔｕｍ Ｄｅｓｉｇｎ ｌｎｃ．社製ＡＴＬ１６０液化システムに材料を供給した。

したがって、本発明の主な目的は、凍結プロセスにより、ガス混合物、特にヘリウムガス混合物を精製するための方法を提供することであり、それによりこの目的のための以前のプロセス及び装置の欠点を克服することができる。

また、本発明の目的は、所与のガス混合物から極低温でガス不純物を逆昇華及び捕捉するための、本改良法の利点が達成される装置を提供することである。
本発明の更なる別の目的は、デバイスを特に長期間稼働させることができ、更に無視できる程度の流出精製ガス中総不純物流出容積濃度（＜１０^−９）で稼働させることができるように、ガス混合物の不純物成分を凍結させるための方法及び装置を提供することである。

本発明によれば、極低温ガスからガス状不純物を除去するためのガス精製装置及びガス精製方法が提供できた。

ヘリウム（Ｈｅ）、窒素（Ｎ_２）、酸素（Ｏ_２）及び水素の、定容積での圧力−温度状態図である。 図１Ａと類似しているが、水、Ｘｅ及びＮｅを含む動作圧力が２ｂａｒ（２００ｋＰａ）絶対圧（ｂａｒ ａｂｓｏｌｕｔｅ）である図１Ａの特定の場合に対応する圧力−温度状態図であり、各温度における所与の不純物の容積濃度を特定する目盛りがその右側に含まれている。 本発明の好ましい実施形態に従って構築されたガス精製装置の断面図であり、精製装置は、精製しようとする極低温ガスの流入を受け入れているところが示されており、それにより同極低温ガス室温から冷却するところが示されている。 図２Ａの精製装置の断面図であり、極低温ガスが、最初の冷却後に精製されているところが示されている。そのような精製は、装置の内部の最上部分内で生ずる逆昇華不純物の霜により反映されている。 図２Ａ及び２Ｂの断面図であり、精製装置が、「ソフト」再生プロセスを受けているところが示されている。 図２Ａ〜２Ｂ及び図３Ａの断面図であり、精製装置が、昇華／不純物排出プロセス後にガスを精製しているところが示されている。 不純物逆昇華プロセス中の、幾つかのパラメータ（例えば、流速、流入圧力、流出圧力、及び温度）の変動を、時間の関数として示すグラフである。 ソフト再生中に生じる不純物逆昇華プロセス中の、幾つかのパラメータ（例えば、流速、流入圧力、流出圧力、及び温度）の例示的な変動を、時間の関数として示すグラフである。 本発明のプロトタイプを１か月稼働させた場合の代表的なグラフであり、システムは、２回のＮ_２再生（１４０Ｋ（−１３３．１５℃））間に１１回のソフト再生プロセスを自動的に実施した。 ２Ａ〜２Ｂ及び３Ａ〜３Ｂの断面図であり、精製装置が再生プロセスを受けているところが示されており、再生プロセスは、不純物が逆昇華領域から不純物収容領域に排出され（ヒータ１）、最終的に液化されて、大気中に開口している通気弁から気化（ヒータ２）するように機能する第１及び第２のヒータを協働させることにより達成される。 好ましい実施形態に従って構築された本発明のガス精製装置と共に使用するためのフィルタ機構の部分的分解組立図である。

本明細書で開示された種々の実施形態のこれらの特徴及び利点並びに他の特徴及び利点は、以下の説明及び図面を参照すればより良好に理解されるであろう。以下の説明及び図面の全体にわたって、類似の番号は類似の要素を参照する。

以下に示されている詳細な説明は、本発明の現在の好ましい実施形態を説明するためのものであり、本発明を実現又は実施し得る唯一の形態を示すためのものではない。説明には、本発明を実施するためのステップの機能及び順序が示されている。しかしながら、同一の又は等価な機能及び順序は、様々な実施形態により達成することができ、それらも本発明の範囲内に包含されることが意図されていると理解されるべきである。

前述の記載を念頭において、本発明は、混合物のガス状不純物成分が逆昇華により除去される、プロセスガス混合物（つまり、極低温ガス）を精製するための方法及びデバイスに関する。この点について、本発明の動作原則は、極低温凝縮であり、それは、本質的に、除去しようとする不純物の凝縮温度を大きく下回る温度で混合物を冷却することにより、所与のガス混合物から不要な成分（つまり、不純物）を凍結させるための当技術分野で周知の方法である。図１Ｂには、Ｎ_２、Ｏ_２、及びＨ_２の不純物を有するヘリウムガス混合物の圧力−温度状態図が示されている。

それを考慮すると、ガス混合物中の添え字「ｊ」により表わされる不純物の室温（ＲＴ）における初期モル分率（Ｙ_ｊ）は、その分圧Ｐ_ｊの混合物全圧Ｐ_ｍに対する比率：

により近似的に求めることができる（この手法は、理想ガス又はモル分率が小さい場合に有効である）。

その凝縮温度Ｔ_ｃｊ未満の任意の温度における凍結不純物の分圧、すなわち、任意のＴ＜Ｔ_ｃｊ（Ｐ_ｊ）は、Ｔでの凝縮物の蒸気圧により決定される。言いかえれば、それは、特定の不純物の気相（Ｖ）及び固相（Ｓ）を分離する実線により表わすことができる。図１に示されているように、実線は、各成分の飽和Ｖ−Ｓ、Ｖ−Ｌ線に相当し、混合物の全圧（Ｐ）は、典型的には２ｂａｒ（２００ｋＰａ）である。矢印を有する各点線は、冷却中の混合物の各成分の分圧を示す。所与の成分は、逆昇華Ｖ→Ｓ線に達すると、この実線に従ってＴと共に低下し、不純物の総凝縮量に応じて、凍結物が全て気化するか又はまず液化されその後気化するまで加熱する際に、この線から逸脱しない。当然のことだが、昇華（Ｖ→Ｓ）線に到達し、Ｔが更に低下すると、Ｙ_ｊ（Ｔ）は、その桁数が劇的に低下する。

したがって、混合物を３０Ｋ（−２４３．１５℃）未満に冷却した後で主に低容積濃度のＮ_２及びＯ_２（合計で＜１％）を有する、室温及び２ｂａｒ（２００ｋＰａ）のヘリウム（Ｈｅ）の場合、混合物を２０Ｋ（−２５３．１５℃）未満に冷却すると、気相中のＯ_２及びＮ_２の濃度は、０．５ｐｐｍ未満と、無視し得る値に低減されることになる。

図１に示されている例では、それらの対応する矢印を有する点線は、初期冷却中の各成分（ｊ＝Ｎ_２、Ｏ_２、Ｈ_２）の気相のＰ_ｊ−Ｔ曲線を示す。それは、温度が所与の成分の凝縮（逆昇華）値に達するまで等圧プロセスである。その後、昇華Ｓ−Ｖ飽和線に到達すると、不純物は直ちに凍結し、混合物のそれらの対応する分圧は、凝縮物の蒸気圧により決定される。温度が更に低下すると、凍結不純物の蒸気圧は劇的に低下する。

同じ原理が、収集した逆昇華不純物の排出又は除去に関しても当てはまる。この状況において、システムは、下記でより詳細に考察するが、再生（不純物の昇華）のために加熱され、それにより、各凍結成分は、まずＳ−Ｖ実線に従い、その結果生じる分圧が３重点圧力よりも低い場合は、凝縮物が全て気化するまで後退上昇するか、又は３重点までＳ−Ｖ線に沿って、その後、不純物の蓄積物が全て最終的に気化するまで、分圧はＬ−Ｖ飽和線に沿って更に上昇することになる。

ここで図２Ａ〜３Ｂ及び図５を参照する。最初に図２Ａ及び２Ｂを参照すると、本発明に従って構築された、ガスを精製するためのガス精製装置１０の実施形態が示されている。図示されているように、装置１０は、垂直配向筺体、すなわち、細長く、一般的に円柱状の構成を有する、垂直蒸気遮蔽ヘリウムデュアー１２として構成されている。より具体的には、デュアー１２は、精製しようとする極低温ガスを受容するガス入口１４及び精製後のガス出口１６を備える。ガス入口１４及びガス出口１６は、図２Ａ〜３Ｂに示されるように、デュアー１２の上部端付近に配置されており、ガス入口１４は、デュアー１２の細長く一般的には円柱状の内部チャンバー１７と流体連通している。内部チャンバー１７は、その外部容器２０内に同心的に入れ子になっているデュアー１２の内部容器１８により規定される。デュアー１２の真空チャンバー２２は、内部容器１８と外部容器２０との間に規定されている。図面には表示されていないが、デュアー１２には、その所定の内部領域内に幾つかの放射状遮蔽物が装備されていてもよい。

ガス入口１４及びガス出口１６付近に配置されている内部チャンバー１７の部分は、一般的にデュアー１２の「頸部」と呼ばれ、装置１０の冷却デバイス又はコールドヘッド２４を収容又は収納する。コールドヘッド２４は、第１の区画２４ａ、第２の区画２４ｂ、及び第３の区画又は冷却先端部２４ｃを含む３つの別個の区画を含む。この点について、図２Ａ〜３Ｂに表示されているように、コールドヘッド２４の第１の区画２４ａは、その第１段階を規定し、第２及び第３の区画２４ｂ、２４ｃは、合わせてその第２段階を規定する。コールドヘッド２４は、当技術分野で公知の部品であり、Ｇｉｆｆｏｒｄ−ＭｃＭａｈｏｎ（ＧＭ）２段階クローズドサイクル冷却器がその一例である（冷却圧縮器は非表示）。コールドヘッド２４の第１の区画２４ａ（つまり、第１段階）は、内部容器１８の対応する部分と共に、図２Ａ〜３Ｂでは帯域１と表示されている、内部チャンバー１７内の深冷領域の第１の部分を規定する。コールドヘッド２４の第２の区画２４ｂ及び第３の区画２４ｃ（つまり、合わせて第２段階）は、内部容器１８の対応する部分と共に、図２Ａ〜３Ｂでは帯域２と表示されている、内部チャンバー１７内の深冷領域の第２の部分を規定する。図２Ａ〜３Ｂに示されるように、帯域２の下方に伸長し、帯域３と表示されている内部チャンバー１７の残りの部分は、不純物収容帯域又は領域を規定し、当該不純物収容帯域又は領域では凍結不純物が帯域１及び帯域２で逆昇華した後に収集される。下記でより具体的に説明することになるが、典型的には固体の逆昇華形態である任意の不純物が、本発明の装置１０及び方法により生成された精製極低温ガス流に再導入されないことを保証するように機能する選択的なろ過システムを提供するのに必要な器材部品も、帯域３内に配置されている。

装置１０の好ましい実施において、同装置１０は向流熱交換器２６を備える。熱交換器２６は、図２Ａ〜３Ｂに示されている様式ではコイル状になっている、所定の熱伝導特性を有する材料の細長い管状区画を含む。この点について、熱交換器２６は、デュアー１２の頸部領域に、特にその内部チャンバー１７に熱交換器２６を差し込むことができるように、そのコイルの外径が内部チャンバーＩ７の内径よりも小さくなるように形成されている。同時に、熱交換器２６のコイルの内径は、コールドヘッド２４を取り囲む大きさに設定されており、したがって、コールドヘッド２４を熱交換器２６の内部に効果的に差し込むことができる。図２Ａ〜３Ｂに示されているように、好ましい実施では、熱交換器２６は、最外側の一対のコイルが、一般的には、第１及び第３の区画２４ａ、２４ｃの遠位端の対応する端部付近に配置され、したがって熱交換器２６の最低部にあるコイルが、帯域２及び３間の接合部付近に配置されるように、コールドヘッド２４に対して大きさが設定されている。しかしながら、当業者であれば、コールドヘッド２４と熱交換器２６との間のこの相対的な大きさ設定は単なる例に過ぎす、本発明の趣旨及び範囲から逸脱せずに改変することができることを認識するだろう。装置１０では、第１の区画２４ａの上部端付近で終了する熱交換器２６の上部端は、ガス出口１６と流体連通されている。

装置１０では、第３の区画２４ｃ付近の熱交換器２６の下端は、一般的に内部チャンバー１７の軸に沿って伸長する直線状部分により規定される。そのため、好ましい製造方法によると、熱交換器２６は、管状材料製品の前述の細長い区画で形成されており、その１つの区画はコイル状であり、１つの区画は一般的に直線状構成に維持されている。

装置１０は、更に好ましくは第１のヒータ３０を備える。第１のヒータ３０は、好適な電源に電気的に接続されており、第１段階と第２段階との間、したがって帯域１及び帯域２の間の接合部付近の、コールドヘッド２４と熱交換器２６との間に位置決めされていてもよい。好ましい実施では、第１のヒータ３０は、前述の位置の熱交換器２６のコイルの部分に巻かれていてもよい。第１のヒータ３０の使用は、下記でより詳細に説明されることになる。加えて、感知器３２（例えば、熱ダイオード、温度計）が、第３の区画２４ｃ又はコールドヘッド２４の冷却先端部の所定の位置に配置されている。感知器３２は、コールドヘッド２４及び第１のヒータ３０の両方と電気的に通信し、各々のオン状態及びオフ状態間を選択的にトグルするように機能する。その理由も下記でより詳細に説明する。

図２Ａ〜３Ｂに更に示されているように、本発明によると、その直線状部分の遠位端部により規定される熱交換器２６の下端は、精製極低温ガスを帯域３内に受容し、それを熱交換器２６を介してガス出口１６に移送し、逆昇華不純物が帯域３内に残留するように機能する収集機構に流体連通されている。収集機構は、帯域３に配置されており、漏斗、フォント、又は他の類似デバイス等のデバイスを単に含んでいてもよい。好ましい実施形態では、収集機構は、図６に具体的に示されているフィルタカートリッジ構築体３４を備える。

装置１０内における、収集機構として又は収集機構の一部としてのフィルタカートリッジ構築体３４の使用は選択的である。図２Ａ〜３Ｂ及び図５では、装置１０は、フィルタカートリッジ構築体３４を収集機構として含むように示されている。図２Ａ〜３Ｂに示されるように、そのようなフィルタカートリッジ構築体３４は、デュアー１２により規定される内部チャンバー１７の下部部分の帯域３内に位置決めされている。より具体的には、下記でより詳細に説明されることになるが、フィルタカートリッジ構築体３４は、ヘリウムガスが収集され、そこを通過し、その後熱交換器及びガス出口１６を順次通過することを可能にするが、逆昇華及び／又は液化不純物を帯域３の不純物収集／収容領域内に残留したままにするのに十分な配向性で内部チャンバー１７内に位置決めされている。

図６に示されている実施形態では、フィルタカートリッジ構築体３４は、精製ガス流が流入する円柱状に構成された中空収集部材３６を備える。ガスは、収集部材３６に進入した後、その内部内に留在するろ過機構を通過する。フィルタカートリッジ構築体３４に組み込むことができる例示的なろ過機構には、バルクフィルタ３８又は薄層フィルタ４０が含まれ、これらのろ過機構は、装置１０を使用して精製しようとする極低温ガス内に、不純物が再導入されるのを防止するように構成されている。フィルタカートリッジ構築体３４は、収集部材に取り付けられており、かつ、ろ過機構を効果的にその中に包囲する漏斗４２を更に備える。漏斗４２はまた、フィルタカートリッジ構築体３４に含まれている細長い管状出口導管４４の１つの端部に流体連通されている。図２Ａ〜３Ｂに示されているように、出口導管４４の漏斗４２に取り付けられている端部とは相対向する側の端部は、熱交換器２６に、より具体的には、同熱交換器２６のほぼ直線状かつ非コイル状の区画の遠位端部に流体連通されている。そこに組み込まれる特定のろ過機構に対して好ましい材質選択に基づくフィルタカートリッジ構築体３４（装置１０に含まれている場合）の機能は、下記でより詳細に説明されることになる。

装置１０は、更に好ましくは第２のヒータ４６を備える。第２のヒータ４６も、好適な電源に電気的に接続されており、好ましくは、図２Ａ〜３Ｂに示されるように、内部チャンバー１７の下部端又は底部端とフィルタカートリッジ構築体３４との間に位置決めされている。装置１０内において、内部チャンバー１７の下部端に隣接しているこの特定領域は、すでに述べた不純物収容領域であることを特徴とする。第２のヒータ４６の使用は、下記でより詳細に説明されることになる。加えて、コールドヘッド２４及び第１のヒータ３０と電気的に通信する感知器４８（例えば、熱ダイオード、温度計）が、フィルタカートリッジ構築体３４（含まれている場合）の所定の位置に配置されている。感知器４８は、フィルタカートリッジ構築体３４の温度をモニタするように機能する。同様に、その理由は、下記でより詳細に説明されることになる。

装置１０の構造的特徴について説明したが、図２Ａ〜３Ｂを参照して、それを使用する例示的な方法を以下に説明する。図２Ａ及び２Ｂには、精製しようとする極低温ガスを、室温で及び初期冷却後の精製中に受容する装置１０が示されている。ガス混合物は、ガス入口１４のポートから帯域１に進入し、コールドヘッド２４の第１段階により予冷却される。コールドヘッド２４によるガス混合物の冷却は、熱交換器２６のコイルを流れる流出ガスとの直接熱交換に起因する更なる冷却により補完される。当業者であれば理解するであろうが、熱交換器２６により促進される熱交換は、コールドヘッド２４から抜き出される冷却能を最小限に抑えることを支援するとういう利点がある。

好ましい実施形態によると、流入ガスは、３０Ｋ（−２４３．１５℃）以下、好ましくは１０Ｋ（−２６３．１５℃）の温度に冷却されることになる。装置１０の作動時には、３０Ｌ／分の典型的な入力流量のガス分子の速度は、密度増加のため、数ｃｍ／ｓから１〜２ｃｍ／分に急速に低下する。ガス入口１４から帯域１へと導入されるガス中の幾つかの不純物は、下方の帯域１のある地点で直ちに過飽和に達し、内部チャンバー１７の頸部の部分内の表面の少なくともいくらかの部分を覆い始めることになる。より詳しくは、これら凍結不純物（図２Ｂ及び３Ｂでは５０ａと表示されている）は、コールドヘッド２４の第１の区画２４ａ（つまり、第１段階）、帯域１に留在する熱交換器２６の１つ又は複数のコイル、及び／又は帯域１を規定する内部容器１８の対応する部分の一部を覆い始める場合がある。その後、ガス混合物は、帯域２に到達し、そこで、残留不純物成分が全て逆昇華され、帯域２の幾つかの異なる表面を覆う温度に深冷却される。より詳しくは、これら残留凍結不純物（図２Ｂ及び３Ｂでは５０ｂと表示されている）は、コールドヘッド２４の第２の区域２４ｂ及び第３の区画２４ｃ（つまり、第２段階）、帯域２に留在する熱交換器２６の１つ又は複数のコイル、及び／又は帯域２を規定する内部容器１８の対応する部分の少なくともいくらかの部分を覆う。

装置１０を、できるだけ連続的な様式で作動させて、帯域１及び帯域２内に収集された逆昇華不純物５０ａ，５０ｂを取り除くか又はそうでなければ移送するために費やされる時間及び労力を最小限抑えるために、本発明は、そのような不純物５０ａ，５０ｂを帯域１及び帯域２内から前述の帯域３の不純物収容領域へと取り出すように動作する再生プロセス、より具体的には「ソフト」再生プロセスを更に企図する。図３Ａには、そのような「ソフト」再生（つまり、昇華）プロセスを実現する装置１０が示されている。図示されているように、第３の区画２４ｃ又はコールドヘッド２４の冷却先端部が、帯域１及び帯域２の凍結不純物５０ａ，５０ｂの昇華及び／又は液化温度に達するまで、コールドヘッド２４は作動が停止され、同時に第１のヒータ３０が作動する。これにより、凍結不純物５０ａ，５０ｂは、昇華及び／又は液化され、内部チャンバー１７の不純物収容領域に向かって落下する。不純物は、落下すると共に、再び低温逆昇華温度に曝される。不純物は、ガス混合物中で再び過飽和されるため、結果的に再凍結され（そのような再冷凍不純物は、図３Ａ及び３Ｂでは５０ｃと表示されている）、帯域３内の表面に付着してもよく、及び／又は最終的には不純物収容領域へと落下してもよい。必要なだけ頻繁に繰り返すことができるこの再生プロセス中、その中のフィルタカートリッジ構築体３４の温度を含む、帯域３の下部部分の温度は、その温度が２０Ｋ（−２５３．１５℃）未満に維持されているため実質的に変化しないが、コールドヘッド２４の第３の区画２４ｃの温度は、９０〜１００Ｋ（−１８３．１５℃〜−１７３．１５℃）まで上昇し、帯域１及び帯域２内の不純物の完全な昇華／液化を保証する。

そのため、再生又は昇華プロセス中、フィルタカートリッジ構築体３４の温度は、感知器４８によりモニタされる。フィルタカートリッジ構築体３４の温度が３０Ｋ（−２４３．１５℃）に接近し始めたら、再生プロセスを中断させ（第１のヒータ３０の稼働を停止し、コールドヘッド２４を再稼働させる）、したがってガス出口１６での不純物レベルが依然として無視できる程度（０．０５ｐｐｍ未満）であることを保証することになる。この点について、再生プロセスから生じる昇華不純物が、カートリッジフィルタ構築体３４へと、そしてその後熱交換器２６を介してガス出口１６へと流れ込むガスを汚染しないことを保証するために、少なくとも帯域３の下部部分の温度は、不純物の逆昇華温度以下であることを維持することが望ましい。熱交換器２６の効率が非常に高いため、ほとんどの場合で霜及び凝縮物は存在せず、そのため、フィルタカートリッジ構築体３４（熱交換器２６と流体連通されている）の温度は、典型的には５Ｋ（−２６８．１５℃）〜２０Ｋ（−２５３．１５℃）の範囲を維持する。選択的に、コールドヘッド２４の外部表面及び／又は熱交換器２６の外側表面は、耐氷性材料で被膜されていてもよく、そのため固体不純物及び霜は、その結果生じた滑りやすい被膜表面によりはじかれて、不純物収容領域に直接落下し、したがって再生プロセスの頻度が最小限に抑えられる。

不純物が帯域１及び２で凍結及び収集されるという知見から導き出されたこの「ソフト」再生プロセスは、コールドヘッド２４が「ＯＦＦ」であり、第１のヒータ３０が「ＯＮ」である間は、コールドヘッド２４の洗浄プロセスにほかならない。このプロセスは、不純物５０ａ，５０ｂを帯域３へと排出し、したがって熱交換器２６及びコールドヘッド２４は洗浄され、したがってその冷却能力を回復させる。この種の幾つかのプロセスは、定期的な時間間隔で又は必要時に実施して、２回の再生間の精製期間を延長することができる。

より詳しくは、上記に示されているように、「ソフト」再生プロセスの開始は、幾つかの異なる方法のいずれか１つで促進させることができる。１つの方法は、所定の時間間隔（例えば、１日１回）で自動的にプロセスを開始することに基づいていてもよい。別の方法は、コールドヘッド２４の第３の区画２４ｃ又は第２段階の冷却先端部に取り付けられた感知器３２の機能に基づいていてもよい。上記に示されているように、感知器３２は、好ましくは、コールドヘッド２４及び第１のヒータ３０の両方と電気的に通信する熱ダイオード又は温度計である。装置１０の効率は、かなりの程度、その熱安定性を前提としている。そのため、カートリッジ構築体３４の温度が最小閾値に達し、上昇し始めた場合、これは、コールドヘッド２４及び熱交換器２６の効率が低下しつつあり、したがってソフト再生プロセスを開始する必要があることを意味することが多い。互いに協調して作動する感知器３２、４８は、装置１０の熱安定性を効果的にモニタし、感知器３２は、ソフト再生プロセスの開始を促進することが必要である可能性がある場合に、コールドヘッド２４及び第１のヒータ３０のオン状態及びオフ状態間を選択的にトグルするように機能する。そのため、感知器３２は、帯域１及び帯域２の温度が、ガス入口１４から内部チャンバー１７に進入するガス内の特定の不純物の最高昇華温度に達したことを感知すると、第１のヒータ３０を停止させ、コールドヘッド２４を再稼働させることにより、任意の再生プロセスを終了させるように機能してもよい。

それほど一般的でない状況では、過剰量の凍結不純物５０ｃが帯域３に蓄積されることにより、内部チャンバー１７内に部分的な閉塞が形成され、ガス入口１４及びガス出口１６間の圧力損失が生じる場合がある。この点について、装置１０には、２つの圧力感知器が装備されていてもよい。一方は、帯域１及び帯域２内の入口圧力をモニタするように機能し、他方は、熱交換器２６と流体連通するガス出口１６での出口圧力をモニタするように機能する。例示的な実施形態では、図２Ａでは１９及び２１と表示されている２つの圧力感知器が、圧力感知器１９は、ガス入口１４に配置されるとともにガス入口１４と流体連通し、圧力感知器２１は、ガス出口１６に配置されるとともにガス出口１６と流体連通するように位置決めされている。前述の圧力損失が、これらの圧力感知器により、帯域１及び帯域２の圧力と熱交換器２６の圧力との比較に基づき検出された場合（その中の完全な又は部分的な閉塞に起因する帯域３の圧力低下に対応する可能性がある）、圧力感知器を使用して再生プロセスを開始させることができる。更に、圧力感知器は、その後、以前は不均衡だった装置１０内の圧力レベルが等しくなったことを感知すると、そのような再生プロセスを停止するように機能するだろう。この機能性の例示的な例は、図４Ａのグラフで示されている。

ソフト再生プロセス（コールドヘッド２４の洗浄）は、高Ｔ（１５０Ｋ（−１２３．１５℃））再生間の期間延長を可能にし、したがって精製期間の著しい長期化を可能にする。ソフト再生を利用する能力は、少なくとも部分的には、帯域３の利用可能容積が高いことに、したがって帯域１及び帯域２から排出された凍結不純物を収集するために利用可能な容積がより高いことに起因する（特に、小型のフィルタカートリッジ構築体３４を使用する場合）。更に、帯域３が上記で示されているように超低温を維持するという事実は、ガス出口１６での純度が、昇華プロセスにより影響を受けず、そのため装置１０が液化装置又はその流出側に接続されている任意のデバイスに連続的に送り込みを行うことを保証する。この点について、図３Ｂには、再生プロセス後、不純物が帯域３に収容され、新たな不純物が帯域１及び帯域２で逆昇華されている状況が示されている。

帯域３に固体形態で収集された不純物の量が、「腹部」容積程度（つまり、不純物収容領域の利用可能容積）であると推定される場合、又は霜が引き起こす任意の閉塞状態が頻繁に起こり、「ソフト」再生又は昇華により除去できない場合、装置１０を、やむを得ず、よりロバストな再生プロセスにかけなければならない。この目的を達成するために、不純物収容領域の第２のヒータ４６を作動させ、収容されている不純物（図５では５２と表示されている）を昇華、液化し、及び気化させるために使用することができる。システム全体を約１２０〜１５０Ｋ（−１５３．１５℃〜−１２３．１５℃）に加熱することにより、収容されている不純物５２の全ての気化が保証され、その後、内部容器１８がポンプで空にされ、ガス混合物が再補充され、新しい精製サイクルが開始される。この点について、明確化のために、第１及び第２のヒータ３０、４６：「ソフト」再生を実施するための深冷領域の第１のヒータ３０、及び標準的高Ｔ再生中に追加加熱するためのデュアー１２又は不純物収容領域の底部の第２のヒータ４６は、本発明の実施に必要である。

しかしながら、「ソフト」再生法は、米国特許出願第１３／９３７，１８６号、２０１３年７月８日出願、発明の名称「ＣＲＹＯＣＯＯＬＥＲ−ＢＡＳＥＤ ＧＡＳ ＳＣＲＵＢＢＥＲ」（特許文献１）に開示されているもの等の、幾つかの従来技術のシステムのように不純物を癒着させるために設計された実施形態では実施することはできない。にもかかわらず、小型のフィルタカートリッジ構築体３４を使用する新しい実施形態では、そのような方法を実施することが可能である。この方法では、コールドヘッド２４及び熱交換器２６は両方とも、効率が変化せずに維持され、不純物を除去するための不稼動期間が劇的に低減されるため、従来技術に非常に大きな向上を提供する。実際、デュアー１２の内部を適切に設計することにより、不純物を、非常に長期にわたって、潜在的にコールドヘッド２４の整備期間と同じ期間にわたって収容することが可能である。

以前に説明したように、本発明のある実施形態では、フィルタカートリッジ構築体３４は、装置１０の収集機構に組み込まれていてもよく、最終的に帯域３から収集され、ガス出口１６から流出されると再使用のためにデュアー１２を上方に向かって通過する精製極低温ガス流に、帯域３又は不純物収容領域内に保持された不純物が、いかなる理由でも一切再導入されないことを保証するように機能することが企図される。装置１０の一部として組み込まれた上述のフィルタカートリッジ構築体３４は、優れたろ過能力を提供するだけでなく、典型的に使用されている大型で過度に嵩高いガラスウールカートリッジ設計を排除する、小型で薄い外形を有するように、特に設計されている。

フィルタカートリッジ構築体３４を装備した装置１０の作動時には、精製ガス（例えば、ヘリウム）が、フィルタカートリッジ構築体３４の収集部材３６に導入され、その後、そのろ過機構、つまりバルクフィルタ３８又は薄層フィルタ４０を通過する。これらのろ過機構のいずれかを通過した後、精製ガスは、漏斗４２を通過し、出口導管４４を上方に向かって通過し、最終的に熱交換器２６からガス出口１６へと至る。図示されている実施形態では、バルクフィルタ３８及び薄層フィルタ４０により代表されるろ過機構は、２つの代替タイプのろ過手段を表わし、バルクフィルタ３８は、そうでなければ極低温ガスに再導入され得るあらゆる不純物を捕捉するために十分な表面積を提供するように機能する、従来技術のガラスウール又はガラス繊維に基づくろ過機構である。代替形態では、薄層フィルタ４０は、複数のマイクロメートルサイズの孔を有する材料の薄層であり、それを通してガスがろ過される。そのような薄層フィルタ４０は、下記でより詳しく考察されているが、好ましくは、金属メッシュ材料で形成されていてもよく、又はナイロンメッシュで形成されていてもよく、後者が好ましい。

より具体的には、薄層フィルタ４０として使用される非常に小型の２Ｄナイロンメッシュフィルタは、大型のガラスウールカートリッジと同じ役割を果たし、熱交換効率を長期間維持するために必要で非常に重要なソフト再生プロセス中に不純物を収容するための利用可能な空間を更により多く付与する。実際、薄層フィルタ４０を装備したフィルタカートリッジ構築体３４を使用すると、そのようなフィルタカートリッジ構築体３４がデュアー１２の底部付近に配置されている場合は、０．１ｐｐｍレベルの不純物がガス出口１６に決して到達しないように機能するため、現在は、典型的にはバルクフィルタ３８を構成するガラスウールカートリッジは必ずしも必要ではないと考えられている。フィルタカートリッジ構築体３４は、ガス出口１６に向かって不純物が引きずられることを回避するために使用することができる様々なマイクロメートルサイズの薄層フィルタ４０を収納することができる。この点について、１〜２５μｍの範囲の孔径及びおよそ２５ｍｍの直径を有する平面状ナイロン及び／又は金属メッシュ円板を単一で又は組み合わせて、１〜２５μｍの範囲の孔径を有するナイロンメッシュ及び２５μｍの孔径を有するステンレス鋼メッシュと共に使用することができる。当業者であれば、他のタイプの材料及び孔径を容易に理解し、直ちに本発明の手段に組み込むであろう。

当業者であれば、図２Ａ〜３Ｂ及び図５に示されているようなフィルタカートリッジ構築体３４のサイズ及び／又は形状は、本発明の趣旨及び範囲から逸脱せずに変更することができることを認識するだろう（例えば、図示されているものよりも小さくともよい）。この点について、全体的なサイズ及び形状は、そこに組み込む予定の特定のろ過機構の選択により、少なくともある程度は決定されることになる。フィルタカートリッジ構築体３４の特定のサイズ又は形状に関わりなく、その円周表面の最大直径と内部容器１８の内径との間に規定される環状の間隙は、昇華不純物の所望の流れが不純物収容領域へと流れ、精製ガスの流れが収集部材３６の下面へと流れることを可能にするのに十分であろう。

プロトタイプの開発及び試験結果
発明の概念を検証するために構築したプロトタイプ装置を、４．２Ｋ（−２６８．９５℃）で１．５Ｗの冷却能の２段階コールドヘッドを使用して実施し、従来技術のシステムに類似した１０Ｌ容量のヘリウムデュアーの頸部に配置した。装置は、深冷領域に、つまりデュアー頸部領域に捕捉される固体不純物の昇華／排出を、制御された様式で実施するために、流出熱交換管の上部に巻かれたヒータと、コールドヘッド第２段階の冷却先端部のすぐ下方で上記管に取り付けられている感知器とを有していた。昇華／排出プロセスは、コールドヘッドを停止させること、及びデュアー頸部領域で収集された不純物が昇華／液化され、不純物収容領域、つまりデュアー底部に移送される温度である１００Ｋ（−１７３．１５℃）を、冷却先端部の感知器が示すまで、約１０〜６０分間ヒータを作動させること、を含んでいた。

深冷領域から収容領域への固体不純物の定期的な昇華／排出サイクルを実施することにより、熱交換器による流入ガス流、コールドヘッド、及び流出ガス間での熱交換の効率は、常時ほとんど最適に維持された。したがって、プロトタイプは、再生のために中断されることなく、全容積比が１００ｐｐｍ以上１０００ｐｐｍ以下のＮ_２及びＯ_２を含有する１０^６ｓＬ以上１０^７ｓＬ以下のヘリウムガスを精製するように機能した。５０ｓＬ／分といった大きな流出流速ピーク及び３０Ｌ／分を超える平均流速は、プロセスガスの流出純度に影響を及ぼすことなく、ソフト再生間の十分に長期間（＞１２時間）にわたって維持することができた。装置全体及びその部品は、より高流速用にサイズ及び電力を調整することができた。

フィルタ構築体
プロトタイプの試験で明らかされたように、ろ過機構としての役目を果たすガラスウールカートリッジの役割は、高出力流速（＞３０Ｌ／分）が突然に発生する場合にのみ固体不純物が引きずられる可能性を回避するということに限定されるという強力な証拠がある。また、ガス混合物の熱力学は、不純物が、デュアーの上部部分に配置されたコールドヘッド深冷領域の蒸気圧及び温度に対応するレベルまで完全に凍結されることを示した。これにより、フィルタカートリッジ構築体のサイズは、精製プロセスには必ずしも重要ではなく、サイズが小さい方がより良好であるという結論が導き出される。したがって、上記で示したように、フィルタカートリッジ構築体のろ過機構としての役目を果たす、サイズがマイクロメートル範囲の単純で小型の平面状２Ｄフィルタは、ろ過機構としての役目を果たす任意のサイズの任意のガラスウールカートリッジと同じ役割を果たすことができる可能性がある。

それを実験的に実証するために、マイクロメートル程度の範囲（１、５、１０、２５μｍ）の様々な孔径及び２５ｍｍの直径を有する平面状のナイロン及び／又は金属メッシュ円板を単一で又は組み合わせて設置した非常に小型のキャニスタを構築した。孔径が１、５、１０μｍのナイロンメッシュ円板、及び孔径が２５μｍのステンレス鋼メッシュ円板を使用した。また、１ｍｍ孔を有する直径が２５ｍｍの２つのステンレス鋼グリッドを、２Ｄパンケーキ型ろ過デバイスの各側に１つずつ加えて、圧力差に対する機械的強度を提供した。この設計により、必要に応じて様々な組み合わせの試験を容易にするためのメッシュの交換が簡便になった。

図４Ｃを参照すると、３０日間稼働させた後、３００ｐｐｍＶの平均不純物濃度を有する合計１，０００，０００Ｌを精製した。約３００ｃｃの固体不純物を収集した（１，０００，０００Ｌ＊３００ｐｐｍｓの不純物／１０^６＝３００Ｌのガス不純物＝＞３００Ｌ（ガス）／１０００（Ｌ（ガス）／Ｌ（固体））＝０．３００Ｌ（固体）＝３００ｃｃ（固体））。そのような期間中、標準的な空気再生（１４０Ｋ（−１３３．１５℃））で開始及び終了し、１１回のソフト再生を、システムにより自動的に実施した。そのレベルの不純物（３００ｐｐｍＶ）のソフト再生は、流入ガス流が２０Ｌ／分を超過する場合にのみ必要であることは明らかである。

その期間中、多数回の自動ソフト再生をシステムにより実施した。そうしたプロセスは、効率の喪失がキャニスタ温度の上昇により検出されたら直ぐに、開始させた。図４Ｂは、ソフト再生中に生じる不純物逆昇華プロセス中の、幾つかのパラメータ（例えば、流速、流入圧力、流出圧力、及び温度）の例示的な変動を、時間の関数として示すグラフである。データは非常にきれいであり、したがって、コールドヘッド空間Ｔと、冷却中に生じるわずかな圧力損失（流入圧力−流出圧力）との相関性が明白に確立される。これは、０．１ｐｓｉ（０．６９ｋＰａ）／Ｌ／分程度であり、固体不純物のモル容積が最小一定値に達する場合、コールドヘッド空間Ｔが２０Ｋ（−２５３．１５℃）未満になると直ぐに無視できる程度になる。これは、ＦＡＳＴモード（流速２４Ｌ／分）のＡＴＰに接続されている２つのＡＴＬ１６０を有するものと同等の限界状況であるため、プロトタイプのガス流インピーダンスを低減する必要性はなかったことが結論づけられた。そのため、観察されたわずかな圧力損失は、システム内のフィルタアセンブリに起因するものとは考えられないが、深冷領域で生じており、それは、温度と共に固体不純物の容積が変化する結果である。いずれにしても、ガス流インピーダンス低減を、例えば、コールドヘッド深冷スペース（帯域１及び帯域２）の、及び／又はキャニスタ（帯域３）上方の、固体不純物に利用可能な空間を増加させることにより、必要に応じて容易に実施することができることは、当業者であれば明白であろう。それは、それらが圧力損失の起こる帯域であり、出力フィルタでも、熱交換器排気管の内部でもないためである。

更に、この効果は、流出流を制限するものでもあり、対応するＴ上昇と共に、システムがソフト再生を実施する時期を決定するための再確認として使用することができる。更に、フィルタが１０Ｋ（−２６３．１５℃）未満の温度である間に圧力損失が発生すれば、それは、コールドヘッド深冷空間（帯域１及び帯域２）又は不純物収容領域（帯域３）で閉塞の形成が始まりつつあることを示し、標準的再生が行なわれるべきであることを示すことになる。

また、２Ｄフィルタを用いると、帯域３には純粋な冷却Ｈｅ相に利用可能な空間が従来技術よりも多く存在し、したがって、熱安定性が失われるまでかなりの長時間にわたって、流出における過渡的な高流速（＞３０Ｌ／分）を可能にする。

予見可能な改変
現在、本明細書で開示された本発明の実施を補強するために、従来技術に関して幾つかの些細な予見可能な改変を行うことができることが考えられる。例えば、流出時での流動要求がない場合に、５Ｌ／分の最小流入流量を維持するためのバイパス弁は、必要ではない。実際、深冷領域での部分的な閉塞−除閉塞は、連続流入−流出の流れが１０Ｌ／分を超えてはいるが不純物濃度が高い場合にのみ、自然発生的に生じる場合がある。ソフト再生は、この問題を定期的に排除するのに十分であり、２Ｄフィルタ出力デバイスにヒータを備える必要はないだろう。実際、米国特許出願第１３／９３７，１８６号、２０１３年７月８日出願、発明の名称「ＣＲＹＯＣＯＯＬＥＲ−ＢＡＳＥＤ ＧＡＳ ＳＣＲＵＢＢＥＲ」（特許文献１）に記載のもの等の従来技術（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｄｅｓｉｇｎｓ社製ＡＴＰモデル）のように、フィルタ感知器も、実施しようとする低温再生の底部温度（Ｔ）を感知し、不純物の液相が完全に気化するまで加熱を維持するように、フィルタをデュアー底部に熱的に係留することができるという更なる改良が企図される。

試験で実証されているように、ソフト再生は、３０Ｋ（−２４３．１５℃）を決して超過すべきでないフィルタ温度だけで制御することができるため、このフィルタ／デュアー底部感知器だけが、必ず必要とされる全てであってもよいことが更に企図される。コールドヘッドのサイズ／電力は、各ソフト再生までより長期間にわたって、より大きな最大流速を保証するのに重要である。

したがって、また、本発明の更なる改変及び改良は、当業者にとって明白であり得る。したがって、本明細書に記載及び例示された部品及びステップの特定の組み合わせは、単に本発明のある実施形態を表わすためのものであり、本発明の趣旨及び範囲内の代替的デバイス及び方法を限定する役割を果たすためのものではない。

１０ ガス精製装置
１２ デュアー
１４ ガス入口
１６ ガス出口
１７ 内部チャンバー
１８ 内部容器
１９ 圧力感知器
２０ 外部容器
２１ 圧力感知器
２２ 真空チャンバー
２４ コールドヘッド
２４ａ 第１の区画
２４ｂ 第２の区画
２４ｃ 第３の区画、冷却端
２６ 向流熱交換器
３０ 第１のヒータ
３２ 感知器
３４ フィルタカートリッジ構築体
３６ 収集部材
３８ バルクフィルタ
４０ 薄層フィルタ
４２ 漏斗
４４ 出口導管
４６ 第２のヒータ
４８ 感知器
５２ 不純物

Claims (18)

1. 極低温ガスからガス状不純物を除去するためのガス精製装置であって、前記ガス精製装置は、
   精製しようとする極低温ガスを受容するための入口と精製ガス出口とを有する筺体であって、同筺体の最上内部部分に第１の領域を規定するとともに同筺体の低部内部部分に第２の領域を規定する中空内部を規定する筺体と、
   前記第１の領域に配置されており、かつ前記入口から受容される精製しようとする前記極低温ガスの流れと接触するように機能するコールドヘッドであって、前記極低温ガスを、前記極低温ガス中に存在する少なくとも１つのガス状不純物を逆昇華させるのに十分な温度に冷却するように機能するコールドヘッドと、
   前記筐体の前記内部の前記第１の領域内に配置される第１のヒータであって、前記第１の領域で逆昇華された前記少なくとも１つのガス状不純物の昇華を引き起こすように機能する第１のヒータと、
   前記精製ガス出口に接続される収集機構であって、少なくとも逆昇華された不純物を前記筺体の前記内部内に保持しつつ、前記極低温ガスが前記内部を通過し、前記精製ガス出口を通過するように、前記第２の領域内に配置されるとともに同第２の領域内に選択的に位置決めされている収集機構と、
   を含み、
   前記第１のヒータ及び前記コールドヘッドは、前記収集機構の温度を前記少なくとも１つのガス状不純物の逆昇華温度以下に維持するために互いに協働して動作するように構成されているガス精製装置。
2. 前記筺体の前記内部の前記第２の領域が、前記第１の領域で形成された少なくとも１つの逆昇華された不純物を保持するように構成されている、請求項１に記載のガス精製装置。
3. 前記筺体が、垂直配向されたデュアーを含む、請求項２に記載のガス精製装置。
4. 前記デュアーの内部の前記第２の領域内に配置された前記収集機構が、フィルタ機構を含む、請求項３に記載のガス精製装置。
5. 前記フィルタ機構が、シート状のナイロンメッシュを含む、請求項４に記載のガス精製装置。
6. 前記フィルタ機構が、シート状の金属ワイヤメッシュを含む、請求項４に記載のガス精製装置。
7. 前記ナイロンメッシュが、同ナイロンメッシュに形成される複数の細孔を含み、前記細孔が、１マイクロメートル以上２５マイクロメートル以下の範囲のサイズを有する、請求項５に記載のガス精製装置。
8. 前記金属ワイヤメッシュが、同金属ワイヤメッシュに形成される複数の細孔を含み、前記細孔が、１マイクロメートル以上２５マイクロメートル以下の範囲のサイズを有する、請求項６に記載のガス精製装置。
9. 前記収集機構の温度は第１の動作モードにて前記少なくとも１つのガス状不純物の逆昇華温度以下に維持され、前記ガス精製装置は前記デュアーの内部の前記第２の領域内に配置される第２のヒータを更に含み、前記第２のヒータが、第２の動作モードにて前記デュアーの前記内部の前記第２の領域内に配置された少なくとも１つの逆昇華された不純物を液化し、気化を促進するように機能する、請求項３に記載のガス精製装置。
10. 精製しようとする前記極低温ガスがヘリウムであり、前記少なくとも１つの不純物が酸素を含む、請求項１に記載のガス精製装置。
11. 前記少なくとも１つの不純物が、窒素を更に含む、請求項１０に記載のガス精製装置。
12. 前記デュアーの内部内に配置される少なくとも１つの感知器を更に含み、前記感知器が、前記コールドヘッドを選択的に作動及び停止するように機能する、請求項３に記載のガス精製装置。
13. ガス状不純物をその中に有する極低温ガスを精製するためのガス精製装置であって、前記ガス精製装置は、
    精製しようとする前記極低温ガスを受容するための入口及び精製された極低温ガスの出口を有するデュアーと、
    前記デュアー内に規定されている内部チャンバーであって、その最上部分内に形成された第１の帯域と、前記第１の帯域に隣接して形成された第２の帯域と、前記内部チャンバーの底部部分内の前記第２の帯域の下方に配置された第３の帯域と、を規定する内部チャンバーと、
    前記第１の帯域内に配置されており、かつ前記入口から導入される精製しようとする前記極低温ガス中に存在する少なくとも１つの不純物を逆昇華させるように機能する冷却デバイスと、
    前記デュアーの前記内部チャンバーの前記第１の帯域内に配置されたヒータであって、前記第１の帯域の前記冷却デバイスにより生成された前記少なくとも１つの逆昇華された不純物を昇華させるように機能するヒータと、
    前記第３の帯域内に規定されており、かつ前記冷却デバイスにより前記第１の帯域に生成される逆昇華された不純物を受容するように機能する不純物収容領域と、
    前記デュアーの前記内部チャンバーの前記第３の帯域内に配置され、かつ精製されたガスの出口に流体連通されている収集デバイスであって、前記極低温ガスが流れ得る流路を規定し、前記逆昇華された不純物をそこから除去するように構成されている収集デバイスと、
    を含み、
    前記ヒータ及び前記冷却デバイスは、前記第３の帯域内の温度を前記少なくとも１つの逆昇華された不純物の逆昇華温度以下に維持するために互いに協働して動作するように構成されているガス精製装置。
14. 前記デュアーの前記内部チャンバーの前記第３の帯域に配置されている前記収集デバイスに組み込まれるフィルタ機構を更に含み、前記フィルタ機構が、ナイロンメッシュ及び金属メッシュからなる群から選択されるフィルタを含む、請求項１３に記載のガス精製装置。
15. 前記ナイロンメッシュが、１マイクロメートル以上２５マイクロメートル以下のサイズを有する複数の開口部を規定し、前記金属メッシュが、１マイクロメートル以上２５マイクロメートル以下のサイズを有する複数の開口部を規定する、請求項１４に記載のガス精製装置。
16. 前記極低温ガスがヘリウムを含み、前記ガス状不純物が酸素及び窒素を含む、請求項１３に記載のガス精製装置。
17. 前記冷却デバイスと前記ヒータとの間で稼働を移行させるための感知器を更に含む、請求項１３に記載のガス精製装置。
18. 前記デュアーの前記内部チャンバーの前記第３の帯域内に配置される第２のヒータを更に含み、前記第２のヒータが、前記第３の帯域の前記不純物収容領域内に収集された前記逆昇華された不純物を液化し、気化を促進するように機能する、請求項１７に記載のガス精製装置。